DELMIA在ARJ21飛機中央翼裝配仿真中的應用

目前國內飛機制造過程中占有重要地位的飛機裝配工藝設計基本上仍是采用數字量傳遞與模擬量傳遞相結合的工作模式，主要依靠計算機輔助工藝過程設計系統軟件CAPP進行。這種飛機工藝裝配設計仍然停留在二維的工藝規劃的基礎上，與CAD系統沒有建立緊密的聯系，更談不上工藝設計與產品設計的協同工作，無法將裝配工藝過程、裝配零件及與裝配過程有關的制造資源緊密結合在一起實現裝配過程的仿真，無法在工藝設計環境中進行三維的虛擬裝配工藝驗證。

當今，數字化虛擬裝配工藝設計與裝配過程仿真技術在現代飛機的設計和制造中扮演的角色將越來越重要。它提供了在三維數字化環境中動態地安裝零部件及其組件的整個過程。國際上以飛機和汽車為代表的大型復雜產品研制企業都已將數字化裝配技術應用于生產中，取得了顯著的效益。無論是波音還是空客目前已基本上實現了數字化三維裝配。波音公司的7E7飛機已經完全采用航空制造業的數字化三維裝配解決方案，實現了整機的三維虛擬裝配仿真和驗證，極大地減少了設計變更，縮短了工藝規劃時間，提高了產量并降低了生產成本。空客系列飛機壁板裝配采用了以數控鉆鉚機為中心的柔性裝配系統，從鉚接過程到裝配管理均實現了數字化控制。據國際著名的制造業統計權威刊物CIMdata統計得出：典型部件裝配周期縮短60%，飛機裝配周期縮短10%以上，裝配工藝設計周期縮短30%～50%，裝配返工率減少50%，裝配成本減少20%～30%，數字化三維裝配大大提高飛機裝配質量，極大限度滿足了客戶要求。

1 西飛公司現有裝配工藝設計存在的問題

目前國內包括西飛公司在內的眾多飛機制造企業，在整個飛機制造過程中處于重要地位的飛機裝配過程基本沿襲了數字量傳遞與模擬量傳遞相結合的工作模式，裝配工藝的設計主要采用計算機輔助工藝過程設計系統進行，但仍然停留在二維產品設計的基礎上，與CAD系統沒有建立緊密的聯系，更談不上與設計的協同工作，無法將裝配工藝過程、裝配零件及與裝配過程有關的制造資源緊密結合在一起實現裝配過程的仿真，無法在工藝設計環境中進行三維的虛擬工藝驗證，零部件能否準確安裝，在實際安裝過程中是否發生干涉，工藝流程、裝配順序是否合理，裝配工藝裝備是否滿足裝配需要，裝配人員及裝配工具是否可達，裝配操作空間是否具有開放性等一系列問題無法在裝配設計階段得到有效驗證。上述任意環節在實際生產中出現問題都將影響飛機的研制周期，造成費用的損失。

2 中央翼裝配的工藝過程仿真

2.1 DELMIA軟件

DELMIA軟件是達索公司的三維數字化工藝設計、制造整體解決方案，廣泛應用在航空航天、汽車、造船等高科技制造領域。DELMIA涵蓋飛機設計、制造反維護過程中的所有工藝過程，使用戶能夠利用3D設計模型完成產品工藝的設計與驗證。它可以幫助制造企業提高生產率，促進協同和加速上市時間。

裝配工藝規劃是DELMIA軟件的DPE(DELMIA Proccss Engineer)模塊中的內容，主要是在裝配之前進行裝配工藝的規劃。工藝仿真與驗證模塊即DPM(DELMIA Process Manufacture)模塊，用來進行工藝驗證，人機工程模塊用來對工人操作模擬，驗證工人動作的可達牲等。

2.2 中央翼組件裝配特點及要求

中央翼組件結構是飛機中最重要的結構件之一（如圖1所示），是整個飛機的最重要的承力結構，同時也是西飛公司承擔ARJ21飛機的最重要裝配件。主要結構件包括：SD560前梁框，SD648后梁框，0號肋，1號、2號展向粱，上下壁板，在中機身機身大開口處沿長桁方向安排有龍骨粱、縱粱等加強件。此外它還包括客艙、貨艙的地板滑軌及其縱向支撐件等次要縱向構件。

圖1 中央翼產品組件模型

ARJ21中央冀組件裝配具有如下特點：

(1)生產過程工藝性復雜。專業水平要求高，原理性知識需要掌握、熟悉，才能完成所承擔的工序。

(2)裝配過程引進了國外先進工藝方法和手段，其中很多工序的完成需要相應工裝設備提供保障。

(3)手工作業性強，即裝配過程靠人在飛機上手工將成品、零組件、材料、標準件、電纜導管組成系統，從而完成整機的裝配過程。

(4)生產過程需要協調的問題和單位眾多，部分問題出現的原因無法準確地確定，如依靠原理、經驗判斷問題的所在，則需要協調和協助解決的工作增多。

(5)生產過程復雜，生產周期相對比較長。批生產周期為45d左右，新機生產為4個月左右。

(6)生產過程中對生產條件依賴性較強，零組件、標準件的配套，成品材料供應等直接制約著生產周期，缺一不可。

2.3 數據準備與工藝規劃

在CATIA V5中，首先讀入已經設計好的ARJ中央翼產品數據，并通過腳本程序將產品數據導入到DELMIA DPE工藝設計平臺中，形成產品結構樹；然后將已定義好的相關資源（如廠房、工裝、人等）加入到DPE環境中，形成資源結構樹；最后進行裝配工藝設計，在DPE中構建詳細裝配工藝結構樹，同時將與該工藝有關的產品和資源加入到該工藝結構樹中，進行工藝規劃（如圖2所示）。這樣，就可以對裝配流程進行全面的工藝布局設計和三維數字化裝配工廠仿真等工作，并不斷對工藝布局和裝配流程進行調整、優化。

圖2 Process、Product、Resource鏈接相互關系

2.4 數字化裝配過程仿真與結果輸出

通過數字化裝配工藝設計，對特定的產品已經具備或產生了3大類信息：(1)確定了產品信息(Product)，包括中央翼中確定的全部零、組件的三維實體模型和裝配約束關系，以及裝配工藝設計定義的三維裝配工藝模型；(2)確定了裝配工藝流程(Process)，包括MBOM(Manufacture Bill of Materials)和AO(Assembly Order)；(3)確定了制造資源(Resource)的三維實體模型，包括裝配型架、夾具，工具、機器人等。根據以上3類信息就可以在全三維數字化環境下進行裝配過程的仿真。通過PPRHUB數據庫，將DPE中設計好的工藝過程導入DPM中進行詳細的三維工藝驗證和仿真。在DPM軟件中主要完成的內容包括：(1)裝配順序的仿真。利用已有的裝配工藝流程信息(Process)、產品信息(Product)和資源信息(Resource)在定義好每個零件的裝配路徑的基礎上，實現產品裝配過程和拆卸過程的三維動態仿真，從而發現工藝設計過程中裝配順序設計的錯誤。(2)裝配干涉的仿真。在裝配順序仿真過程中對每個零件進行干涉檢查。當系統發現它們之件存在干涉情況時予以報警，并示出干涉區域和干涉量，幫助工藝設計人員查找和分析干涉原因。(3)產品和制造資源的仿真。在裝配順序仿真的基礎上，引入工裝等制造資源的三維實體模型，對產品和制造資源進行三維動態仿真，以發現產品與制造資源發生干涉的原因。(4)人機工程仿真。在產品與制造資源仿真的基礎上，再將定義好的三維人體模型放入該環境中進行人體和其所制造、安裝、操作與維護的產品之間互動關系的動態仿真，以分析操作人員在該環境下工作的姿態、負荷等，進而修改和優化工藝流程和制造資源，以高效裝配和以人為本為原則。(5)裝配過程的記錄。利用以上裝配過程的三維數字化仿真功能，將整個裝配過程記錄下來，形成可以插放的影片格式，指導現場操作人員進行飛機裝配，實現可視化裝配，同時也可以對飛機維護人員進行上崗培訓，幫助操作人員直觀了解操作全過程。(6)生成相關文檔。整個裝配仿真過程經驗證無誤后，可以按照需要，定制生成相關的文檔。

2.5 目前設計中存在的問題及改進措施

通過中央翼數字化工藝設計與過程仿真驗證，發現中央翼總裝型架和中央翼總裝工作梯的設計存在如下需要改進的方面。

a.中央翼總裝工作梯立柱位置不合理。一般情況下，操作人員是雙手端著工具盒上到型架上，而原始設計的工作立柱恰好擋住了操作人員上到型架上的路徑（如圖3所示）。解決措施：圖示立柱向左或右側移動500mm。

圖3 工作梯立柱住置不合理圖

b.操作人員從地面上到型架上，型架地板面距地面距離約500mm，以操作人員平均身高1720mm分析，其右腿抬得過高，此時人會失其重心。解決措施：需要在此處增設一級臺階，具體形式由工裝設計定。

c.操作人員拿著工具上到中央翼上翼面工作，型架工作梯距上翼面邊緣有730mm距離，操作人員來回行走存在不安全隱患（如圖所示）。解決措施：中央翼上壁板鋪工藝地板。

圖4 增設工藝地板圖

d.由操作人員拿著工具鉆進中央翼里工作的仿真圖片可見，工人姿勢很不舒服，右腿與上部軀體夾角106.532°，接近極限113°，工作環境極為惡劣。解決措施：在中央翼下壁板鋪厚海綿墊，改善工作環境，防止操作人員與結構直接接觸，造成身體不適。

3 結束語

本文就使用DELMIA在ARJ21中央翼工藝過程與人機工程仿真的應用進行了闡述，在用DELMIA對中央翼的仿真過程中，充分體會了數字化裝配工藝設計和虛擬裝配過程。通過工藝性驗證和人機工程驗證，及早發現工藝設計、產品設計、工裝設計等方面的問題，這給生產實際帶來了極大的益處。本文在工藝模板定制及MBOM輸出方面做了較多的研究工作，取得了一定的研究成果，對于DELMIA在國內航空企業的應用有一定的借鑒作用。今后應該在DELMIA與PDM、ERP等系統平臺集成及工藝設計業務流程梳理等方面多進行研究，使DELMIA三維工藝設計及仿真解決方案真正融入到企業的設計、制造一體化平臺之中。